- 頭條南華大學科研團隊提出一種核電廠變頻變壓的雙頻注入絕緣監測方法2022-09-02 作者：劉建輝、曾鐵軍 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語核反應堆電加熱工程環境下的高溫、大電流、加熱損耗導致的單相絕緣故障是IT系統的主要故障形式。南華大學電氣工程學院的研究人員劉建輝、曾鐵軍 等，在2022年第4期《電氣技術》上撰文，分析了發生單相絕緣故障的兩種情形：故障支路絕緣電阻偏大時導致總注入源回路電流偏小，故障支路分布電容過大導致支路阻性電流偏小。 基于這兩種情形產生的誤差，本文總結雙頻法檢測絕緣電阻的基本原理，并在利用雙相鎖相放大技術提取微弱信號的基礎上，提出一種變頻變壓的雙頻注入絕緣監測方法。通過在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，經多次仿真試驗表明，絕緣電阻在2～500k、500k～3M時誤差分別控制在5%、10%以內，驗證了該方法在理論上的可行性。
研究背景
核反應堆穩壓器電加熱元件采用IT系統（中性點不接地系統）配電，因其電加熱管數量多且長期處于高溫、高壓、大電流的工作環境下，很容易出現故障且故障大多數為單相接地故障。絕緣監測裝置可保證核反應堆穩壓器的可靠運行，精準檢測是實現IT系統有效持續供電的前提。
實現在線絕緣監測的主要方法是低頻雙頻疊加法，通過多次在線測試表明，低頻電壓幅值和頻率的選取對絕緣檢測精度有重要影響。當系統發生單相接地故障時，絕緣電阻偏大、分布電容過大會引發注入源回路電流偏小和故障支路阻性電流分量偏小的問題，從而導致測量誤差，無法滿足絕緣監測精度要求。
論文所解決的問題及意義
本文提出一種變頻變壓的雙頻注入絕緣監測方法，以解決傳統注入式監測方法在大絕緣電阻時，由于注入源電路電流偏小而導致絕緣電阻測量誤差偏大的問題，以及分布電容過大時，注入源回路中電流的電阻分量很小導致測量誤差偏大的問題。仿真結果表明，絕緣監測電阻測量的準確性得到有效提升，從而大大提升了核反應堆穩壓器系統的安全性。
圖1 低頻注入電源電路原理
論文方法及創新點
針對反應堆穩壓器絕緣監測高精度的技術需求，本文提供一種變頻變壓的雙頻注入絕緣監測方法，即根據雙頻法測得故障對地電阻和對地電容，然后反饋給注入源信號來調節頻率和電壓峰值，從而提高絕緣監測的精度。變頻變壓邏輯框圖如圖2所示。
圖2 變頻變壓邏輯框圖
雙相鎖相放大器不僅能夠鎖定摻雜在工頻信號和眾多其他噪聲中的雙頻信號，而且其同時使用兩組低通濾波器和乘法器，所以最終能消除輸出依賴參考信號和被測信號相位差的問題。由于沒有在IT系統母線處安裝電壓互感器，所以不能直接測得Uf，需要通過圖3所示的絕緣監測采集電路采集得到。
圖3 絕緣監測采集電路
電壓電流檢測原理如圖4所示，將電壓信號Ur和轉化后的電壓信號URS分別經過雙相鎖相電路后的輸出信號接至核心處理器。
圖4 電壓電流檢測原理
將雙頻信號分別作為參考信號，其雙相鎖相電路原理如圖5所示。參考信號和參考信號移相90°后的信號分別與待測信號相乘，然后再分別通過低通濾波器1和低通濾波器2，并作均值濾波后輸出。
圖5 雙相鎖相電路原理
為了驗證所提變頻變壓的雙頻注入法能提高檢測精度，本文采用Matlab/Simulink作為仿真工具，搭建如圖6所示的IT系統等效仿真拓撲。
圖6 IT系統等效仿真拓撲
結論
針對現階段故障支路絕緣電阻偏大及故障支路分布電容過大時導致檢測精度不足的問題，本文提出了一種變頻變壓的絕緣監測方法。在IT系統發生絕緣故障時，通過雙頻法測量對地電阻及對地電容的大小并與設定閾值比較，從而進行變頻變壓，提高檢測精度。同時采用雙相鎖相放大技術解決了混頻中頻率分離與微弱信號提取的難題。通過仿真證明，該方法提升了絕緣檢測故障電阻的精度，可為實際應用提供參考。
本文編自2022年第4期《電氣技術》，論文第一作者為劉建輝，1994年生，碩士研究生，研究方向為絕緣故障檢測。本課題得到了“省部級重點項目”、“國家自然科學基金項目”的支持。
引用本文
劉建輝, 曾鐵軍, 王新林. 一種變頻變壓的雙頻注入絕緣監測方法[J]. 電氣技術, 2022, 23(4): 18-24. LIU Jianhui, ZENG Tiejun, WANG Xinlin. A dual-frequency injection insulation monitoring method based on frequency conversion and voltage conversion Electrical Engineering, 2022, 23(4): 18-24.
